趙鐘南,許洋鋮,吳燕清,譚青青,康躍明,王 耀
井下瞬變電磁儀硬件對致災水體分辨能力的評估
趙鐘南1,2,許洋鋮1,2,吳燕清1,2,譚青青1,2,康躍明1,2,王 耀3
(1. 重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室,重慶 400044;2. 重慶大學 資源與安全學院,重慶 400044;3. 重慶郵電大學 先進制造工程學院,重慶 400065)
井下瞬變電磁隨掘探測技術是探測掘進面前方致災水體的有效方法,從硬件方面評估儀器對致災水體的分辨能力,是儀器能夠在井下正確使用的重要手段。通過比較二次場絕對差和儀器分辨率、疊加后背景噪聲之間的大小關系,分析含水致災體識別的硬件條件和評估依據(jù);提出從硬件方面評估井下瞬變電磁對致災水體分辨能力的計算方法:根據(jù)致災水體結構建立三維地質模型,推導梯形波關斷與負階躍波關斷二次場感應電壓的關系,在GPU上采用全空間三維有限差分并行算法計算了致災水體二次場響應;測量某瞬變電磁儀的關斷時間和綜合噪聲,根據(jù)致災水體的硬件分辨依據(jù),從硬件方面評估井下瞬變電磁儀對導水陷落柱、充水采空區(qū)的分辨能力。為井下瞬變電磁探測儀器的研制和現(xiàn)場準確探測提供技術參考,具有重大的研究意義。
瞬變電磁;致災水體;分辨能力;FDTD;并行計算
礦井水害[1-3]是煤礦開采面臨的第二大災害。隨著開采深度的增加,掘進面和回采面距離奧灰含水層越來越近,不僅面臨采空水的威脅,底板奧灰水的威脅也相應增加。實時、準確查明充水采空區(qū)、導水陷落柱等含水致災體,是煤礦隱蔽致災地質因素動態(tài)智能探測技術的重要研究內容[4-6]。
井下瞬變電磁隨掘探測技術是掘進面前方致災水體的有效探測方法[7-8]。準確評估瞬變電磁儀對致災水體的分辨能力,不僅可以準確判定儀器是否能夠探測到待測目標體,還可以定量劃分儀器的有效探測范圍,為儀器設計和使用提供數(shù)據(jù)支持。
對于瞬變電磁對目標體的分辨能力,雷康信等[9]以相對異常表征分辨能力為依據(jù),研究了電性源瞬變電磁分辨能力和偏移距、觀測時間的關系;陳衛(wèi)營等[10]以二次場的相對誤差為判斷依據(jù),研究了電性源地–井瞬變電磁的旁側分辨能力;武軍杰等[11]以反演結果中對低阻層是否有顯示,且以幾何、物性參數(shù)與理論模型的誤差大小為判斷依據(jù),研究瞬變電磁對深部低阻層的分辨能力;CHANG Jianghao等[12-13]比較了地表和地井瞬變電磁方法的分辨能力,發(fā)現(xiàn)井下的分辨能力優(yōu)于地表;嵇艷鞠等[14]以二次場感應電壓是否低于接收系統(tǒng)分辨率為判斷依據(jù),研究了全波形時間域航空電磁探測的分辨率。
以上研究在評估瞬變電磁對目標地質體的分辨能力方面起到了十分積極的作用。在井下瞬變電磁隨掘探測中[15],二次場感應電壓絕對差與接收系統(tǒng)分辨率、疊加后背景噪聲之間的大小關系,是儀器能從大地背景中分辨出致災水體的硬件條件和前提條件。只有當二次場的絕對差被儀器準確分辨時,才可通過反演解釋探查出含水致災體。筆者將從絕對差和儀器分辨率、疊加后背景噪聲出發(fā),從硬件方面評估井下瞬變電磁對致災水體分辨能力的計算方法:從硬件方面定義儀器能夠探測出致災水體的評估依據(jù),推導井下瞬變電磁對全空間三維致災水體分辨能力的評估計算方法,并在GPU上通過并行三維有限差分計算某瞬變電磁儀對導水陷落柱、充水采空區(qū)的分辨能力。
如圖1所示,當探測前方地層不含致災水體時,接收線圈中總感應電壓rb()為一次場感應電壓p()與含煤地層二次場感應電壓g()之和。
當探測前方地層含有致災水體時,接收線圈中總場感應電壓rw()為一次場感應電壓p()、含水地層二次場感應電壓w()之和。
由式(1)和式(2)聯(lián)合:
式中:o()為含水地層總場感應電壓rw()與未含水地層總場感應電壓rb()的絕對差。
設瞬變電磁儀的接收分辨率為rs,只有o()大于rs時,致災水體引起的二次場變化才能被儀器準確捕捉到,后期才有可能通過反演解釋,分辨出含水致災體,即:
在井下探測時,接收系統(tǒng)采集到的信號中還包含工頻干擾、環(huán)境白噪聲、儀器本底白噪聲的背景噪聲,設經過雙極性疊加壓制的背景噪聲為n()。只有o()高于n()時,二次場的變化才不會被噪聲淹沒。
因此,在井下瞬變電磁隨掘動態(tài)探測中,瞬變電磁儀能分辨出致災水體的硬件條件、前提條件和評估依據(jù)為:
為從硬件方面評估計算井下瞬變電磁儀對致災水體的分辨能力,首先,根據(jù)三維地質模型建立數(shù)值模擬模型[16],采用三維有限差分算法[17-18]計算出rw()、rb()、o(),在實驗室測出發(fā)射電流關斷時間、接收系統(tǒng)分辨率、背景噪聲等參數(shù),最后根據(jù)式(6),從硬件方面判斷儀器是否能分辨出致災水體。計算過程如圖2所示。
圖2 從硬件方面評估井下瞬變電磁儀對致災水體的分辨能力計算流程
井下瞬變電磁隨掘探測采用多匝小回線發(fā)射[19],磁探頭接收。由于多匝線圈電感影響,發(fā)射電流不是理想情況下的階躍關斷,而是類似于梯形波關斷,如圖3所示。
圖3 梯形波發(fā)射電流
發(fā)射電流和其激發(fā)的二次磁場2(t)的關系如下:
式中:()為梯形波發(fā)射電流;i2()為全空間沖擊脈沖電流二次磁場。根據(jù)法拉第電磁感應定律,接收探頭中二次感應電壓t()為:
式中:r為接收探頭等效接收面積;()為單位階躍函數(shù);為時間;0為關斷開始時間;1為完全關斷時間;0為真空磁導率;off為關斷時間;s2()為正階躍電流二次磁場。
根據(jù)正階躍電流二次磁場與負階躍電流二次磁場–s2()關系式[20]:
將式(9)代入式(8)得:
由式(10)可以得出,梯形波關斷二次感應電壓在數(shù)值上等于0時刻負階躍電流產生的二次磁場與1時刻負階躍電流產生的二次磁場的代數(shù)和。只需要計算出全空間三維地質模型的負階躍電流二次磁場–s2(),再結合發(fā)射電流關斷時間和接收探頭的等效面積,即可得到t()。
將含煤地層劃分為多個Yee氏網(wǎng)格,為計算方便,位于模型中央的發(fā)射回線采用方向水平磁偶極子等效。為提高計算機內存的利用率,采用均勻網(wǎng)格和非均勻網(wǎng)格結合的方式:如圖4a所示,在源附近采用均勻網(wǎng)格,距離源遠的區(qū)域采用非均勻網(wǎng)格。Yee晶胞如圖4b所示。
根據(jù)顯式三維有限差分迭代原理:在空間和時間上采用二階差分,t1/2時刻磁場與t1/2時刻磁場、t時刻電場有關,t+1時刻電場與t時刻電場、t1/2時刻磁場有關。則迭代公式[21]為:
圖4 網(wǎng)格剖分示意圖及Yee晶胞格式
式中:為電場強度;為磁場強度;為電導率;為介電常數(shù);為磁導率;為虛擬介電常數(shù);、、分別為軸、軸、軸坐標值;為計算時刻;下標、、表示方向。由于源在計算區(qū)域中央,為保證晚期的計算精度,引入磁場零散定理,并從兩邊網(wǎng)格往中間,由、方向磁場逐步迭代計算方向磁場,如式(16)所示?
通過式(11)—式(16),即可迭代計算出任意時刻、任意點的負階躍電流二次磁場。
在負階躍關斷早期,電磁場變化劇烈,不適宜用三維有限差分計算??筛鶕?jù)電磁波完全在發(fā)射源所在層中傳播的距離和速度,采用均勻全空間磁偶極子二次場解析式來計算早期初始場[20]:
式中:s2為初始電場;s2為初始磁場;為磁偶極距;為收發(fā)距;為定義的函數(shù);ini為關斷后很短的時間;max為電磁波完全在發(fā)射源所在層中傳播的距離。
在迭代過程中需遵循Courant穩(wěn)定條件,限制人工位移電流項:
式中:Δt為當前時刻迭代時間步長;Δmin為計算空間中最小網(wǎng)格步長。
為了防止人工位移電流在擴散方程中占主導作用,限制迭代時間步長Δmax:
式中:min為計算空間中最小電導率。邊界采用Dirichlet邊界條件,6個邊界都設置為0。
利用時域有限差分各個網(wǎng)格電磁場計算的相互獨立性,采用GPU并行處理技術提高數(shù)值建模的計算速度。GPU并行計算在NVIDA Tesla T4 顯卡上執(zhí)行(如圖5a),此顯卡擁有16 GB顯存,2 560個CUDA核心,適合于并行計算。對于本文采用的538×539×539網(wǎng)格模型,迭代12 000次,若采用CPU計算,計算一個模型需要240 h;而采用GPU并行計算,時間僅為26 h,大幅縮短了計算時間。
程序平臺采用Matlab2019。用Matlab的內置函數(shù)gpuArry函數(shù),將CPU上的數(shù)據(jù)轉移到各個GPU核上并行運算。為了提高計算速度,采用single函數(shù)將數(shù)據(jù)轉變成單精度函數(shù),最后將GPU上的數(shù)據(jù)用gather函數(shù)調回到CPU上進行處理。計算過程中GPU一直處于滿負荷狀態(tài),如圖5b所示。
圖5 NVIDA Tesla T4顯卡和GPU運行狀態(tài)
以某井下瞬變電磁儀為例,為計算儀器對導水陷落柱、充水采空區(qū)的分辨能力,首先需測量儀器的關斷時間、背景噪聲、分辨率。
圖6a為儀器設備實物圖及測試過程。發(fā)射天線邊長2 m,共10匝,電阻1.1 Ω。采用泰克A622電流探頭跨接在天線上,測量發(fā)射電流關斷時間。發(fā)射電流幅值為2.8 A,關斷時間為12 μs(圖6b)。
圖6 某瞬變電磁儀關斷時間測試
數(shù)據(jù)采集采用24位分辨率、50 kHz采樣率芯片。由于地面室內電磁噪聲比井下掘進頭噪聲大,且井下探測時,掘進機不工作,故基本上沒有電磁噪聲干擾,因此,本文以室內電磁噪聲為背景噪聲。在室內接入礦用本安型天線,直接測量疊加后噪聲(圖7a),此時考慮了分辨率和背景噪聲的影響,當絕對差大于綜合噪聲,即可分辨出目標體。圖7b為接收天線接入儀器,并經過256次疊加后的綜合噪聲。由圖中可以看出,綜合噪聲小于10 μV。
圖7 某瞬變電磁儀綜合噪聲測試
采用以上方法,從硬件方面評估某井下瞬變電磁儀對充水陷落柱、充水采空區(qū)的分辨能力。模型參數(shù)見表1。
表1 模型參數(shù)
基于以上模型參數(shù),設置了538×539×539個網(wǎng)格數(shù)進行計算,且網(wǎng)格特征為中間均勻、兩邊非均勻。儀器參數(shù)見表2。
表2 儀器參數(shù)
充水陷落柱大小為20 m×20 m×100 m,電阻率為1 Ω·m。計算了大小相同、與發(fā)射源距離不同的陷落柱的二次場感應電壓衰減曲線、與層狀背景大地二次場感應電壓的絕對差(圖8)。
圖8 陷落柱模型
由圖9可知,當充水陷落柱與發(fā)射源距離增加時,其二次場感應電壓衰減曲線逐漸與層狀背景大地的二次場感應電壓衰減曲線重合。隨時間增加,充水陷落柱感應電壓與層狀背景大地感應電壓之差由負變正,然后逐漸趨于0。
由圖10可知,充水陷落柱與發(fā)射源的距離在80 m內時,在有效探測時間內,二次場感應電壓絕對差大于綜合噪聲,儀器硬件上能夠分辨出該充水陷落柱。當充水陷落柱距離發(fā)射源80 m以外時,在整個探測時間內,二次場絕對差值都小于儀器分辨率,儀器硬件上無法分辨出該充水陷落柱。
采空區(qū)大小為200 m×1 000 m×6 m,電阻率為1 Ω·m(圖11)。計算了大小相同、與發(fā)射源距離不同的采空區(qū)的二次場感應電壓衰減曲線、與層狀背景大地二次場感應電壓的絕對差。
圖9 不同距離下充水陷落柱與線圈感應電壓衰減曲線
圖10 充水陷落柱與線圈不同距離下二次場絕對差
圖11 采空區(qū)模型
由圖12—圖13可知,當充水采空區(qū)與發(fā)射源距離增加時,其二次場感應電壓衰減曲線逐漸與層狀背景大地的二次場感應電壓衰減曲線重合。隨時間增加,充水采空區(qū)感應電壓與層狀背景大地感應電壓之差由負變正,然后逐漸趨于0。充水采空區(qū)與發(fā)射源的距離在65 m內時,在有效探測時間內,二次場感應電壓絕對差大于綜合噪聲,儀器硬件上能夠分辨出該充水采空區(qū)。當充水采空區(qū)距離發(fā)射源65 m以外時,在整個探測時間內,二次場絕對差值都小于儀器分辨率,儀器硬件上無法分辨出該充水采空區(qū)。
圖12 不同距離下充水采空區(qū)與線圈感應電壓衰減曲線
圖13 不同距離下充水采空區(qū)與線圈二次場絕對差
a.在儀器硬件方面,井下瞬變電磁儀器對致災水體探測能力的前提條件:一是背景層狀大地和含致災水體大地二次場感應電壓絕對差大于瞬變電磁儀器自身的分辨率;二是二次場感應電壓絕對差大于背景噪聲。
b.提出了從硬件方面評估井下瞬變電磁儀對致災水體的分辨能力的方法:建立三維致災水體地質模型,采用全空間三維有限差分并行算法計算二次場感應電壓,將其與背景場感應電壓相減,分析二次場絕對差和儀器分辨率、疊加后背景噪聲之間的關系,確定能否分辨出致災水體。
c.評估了某井下瞬變電磁儀對20 m×20 m× 100 m,電阻率為1 Ω·m的充水陷落柱在文中所述地質背景下的有效探測距離為80 m左右;對200 m× 1 000 m×6 m,電阻率為1 Ω?m的充水采空區(qū)在文中所述地質背景下的有效探測距離為65 m左右。
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Evaluation on the resolution ability of underground transient electromagnetic instrument to disaster-causing water bodies
ZHAO Zhongnan1,2, XU Yangcheng1,2, WU Yanqing1,2, TAN Qingqing1,2, KANG Yueming1,2, WANG Yao3
(1. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. School of Resources and Safety Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 3. College of Advanced Manufacturing Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)
The downhole transient electromagnetic detection technology is an effective method to detect the disaster-causing water body in front of the tunneling. It is an important means to evaluate the instrument's resolution ability to disaster-causing water from the aspect of hardware for the instrument to be used correctly in underground mines. By comparing the magnitude relationship between the absolute difference of the secondary field, the resolution of the instrument and the background noise after superposition, the hardware conditions and evaluation basis for distinguishing the water-bearing hazards are analyzed. A calculation method for evaluating the resolution ability of underground transient electromagnetic to disaster-causing water body from the aspect of hardware is put forward. A three-dimensional geological model is established based on the structure of the disaster-causing water body, and the relationship between the trapezoidal wave turn-off and the negative step wave turn-off secondary field induced voltage was deduced, and the full-space three-dimensional finite difference parallel was adopted on the GPU. The algorithm calculates the secondary field response of the disaster-causing water body. The turn-off time and background noise of a transient electromagnetic instrument are measured. According to the hardware discrimination basis of the disaster-causing water body, the ability of the underground transient electromagnetic instrument to distinguish water-conducting subsidence column and water-filled goaf was evaluated from the hardware aspect. The development of downhole transient electromagnetic detection instruments and accurate on-site detection provide technical reference, which is of great research significance.
transient electromagnetic; disaster-causing water body; resolution ability; FDTD; parallel computing
P631
A
1001-1986(2021)04-0040-09
2021-04-15;
2021-06-21
國家重點研發(fā)計劃課題(2018YFC0807805);煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室自主研究項目(2011DA105287-MS201906)
趙鐘南,1997年生,男,浙江湖州人,碩士研究生,研究方向為井下瞬變電磁數(shù)值建模. E-mail:ahjzuzzn@163.com
許洋鋮,1983年生,男,重慶南川人,博士,副研究員,研究方向為瞬變電磁探測技術及儀器. E-mail:xyc1983@cqu.edu.cn
趙鐘南,許洋鋮,吳燕清,等. 井下瞬變電磁儀硬件對致災水體分辨能力的評估[J]. 煤田地質與勘探,2021,49(4):40–48. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.006
ZHAO Zhongnan,XU Yangcheng,WU Yanqing,et al. Evaluation on the resolution ability of underground transient electromagnetic instrument to disaster-causing water bodies[J]. Coal Geology & Exploration,2021,49(4):40–48. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.006
(責任編輯 聶愛蘭)